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Science for all Japanese

2008-03-29

33rd - 38th par in chap 4

[4-33]

すべての物質は、温度や圧力によって様々に異なる状態になる。ちょうど水が、氷や水や水蒸気になるように、少しの例外を除いて、ほとんどの物質は固体、液体、気体になることができる。ある物体を十分に冷やすと、その物体の原子や分子はそれぞれの場所に何かしら規則正しい形で閉じ込められ、固体となる。温度が高くなることは、その物質の原子の平均的な運動エネルギーが高くなることである。だから温度が高くなると、原子や分子は激しく動くようになり、普通はそれぞれ少し離れた位置で運動するようになる。つまりその物質は膨張する。もっと温度が高くなると、原子や分子はもっと激しく動くようになり、全体としては緩くまとまりながらも、互いに決まった場所にはいられなくなり、液体になる。さらにもっと温度が高くなると、原子や分子の運動が激しくなり、それぞれの間の引力に打ち勝って自由に動き回るようになり、気体になる。このときそれぞれの原子や分子はたがいにごく接近した時にだけ相互作用(通常はたがいに反発)する。

[4-34]

もっとずっと温度が高くなると、やがて衝突のエネルギーによって分子がバラバラになって原子になり、さらに原子から電子が叩き飛ばされイオンになってしまう。極めて高い温度では、衝突の際に原子核同士が近づき、強い核力の作用が現れるようになり、核反応を起こすこともある。

[4-35]

原子の中で一番外側にある電子の配置によって、その原子がどのように他の原子と結合して物質をつくるかが決まる。電子が片方の原子からもう片方の原子に移って結合ができることもあるし、電子が原子同士で共有されて結合ができることもある。どのような種類の結合があるかによって、原子同士が雑然と混ざり合ってつながることもあれば、原子の数と配置が揃った特徴的な分子になることもあれば、結晶配列を対称に繰り返すパターンを持つこともある。分子構造は、(酸素分子のように)同じ原子の対のように単純なこともあるし、(たんぱく質DNAの分子のように)数千個の原子が折れ曲がったり交差して鎖のようにつながった複雑なものになることもある。こうした複雑な分子の正確な形は、その分子がほかの分子とどのように相互作用するかを決める重大な要素になる。結晶配列は、全体が規則正しく並んでいる場合もあるし、組成や構造が不規則な部分が広がっている場合もある。組成や構造が少し違っただけでも、その物質は非常に違った性質を持つこともある。

[4-36]

原子の中の電子配置によって、その原子同士にどんな反応が起こるかや、その反応が起こるためにどれだけのエネルギーが必要か、反応が起きた時にどれだけのエネルギーが放出されるかが決まる。原子が大きな数集まったときには、反応が起きる速さは、反応する原子が互いにどれくらいの頻度で衝突するかによって変わる。だから反応する物質の濃度や、反応する原子がどれくらいの速さで動いているか(つまり温度)によって反応速度は変わる。他の原子や分子が少しの濃度でもあって、反応する物質とつながって互いに結合しやすくさせたり、反応が起こるためにちょうど必要な量のエネルギーを与える励起状態を持っていたりすると、反応速度は劇的に影響を受ける。特に、水に溶けた物質の反応は水の酸性度によって大きく影響される。

[4-37]

身近な物質を作る元素にはそれぞれ少数の自然に存在する同位体がある。どの元素も、ほとんどの他のあり得る同位体は不安定で、もし偶然不安定な同位体ができても、そのうち崩壊して他の元素同位体になってしまう(それがまた不安定ということもある)。崩壊が起こるときには粒子が放出されたり、原子核から放射線が出ることもある。これが放射能である。地球にある物質の中では、恒星の中で重い元素ができたときから残っている放射性同位体が小さな割合で混ざっている。放射性同位体の中には、もっと最近に宇宙や他の同位体原子核崩壊から来た核子が衝突してできたものもある。普通の環境にも、これらの同位体が一緒になって出す低いレベルの背景放射がある。

[4-38]

不安定な原子核がいつ崩壊するのかを予言することはできない。我々が断定できるのは、同じ種類の原子核の集まりの中で決まった期間にどれだけの割合が崩壊するのかということだけである。不安定な同位体半減期とは、サンプルの中の半分の原子核が崩壊するのにかかる時間である。原子核の様々な種類によって、半減期は百万分の一秒から数百万年に及ぶ。特定の同位体半減期は一定で、圧力や温度などの条件には影響されない。だから、すでに崩壊した原子核の割合を測定することで、放射性物質を使って時間経過を見積もることができる。例えば、岩のサンプルの中にあって、不安定だが長い半減期を持つ同位体の割合を測ることで、その岩ができたのがどれくらい前なのかを見積もることができる。

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